Maschinenelemente ME an der TU München

CitySTADT: Augsburg

CountryLAND: Deutschland

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Konzept der örtlichen Spannungen

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Unterscheiden Sie beim Festigkeitsnachweis das Nennspannungskonzept und das Konzept der örtlichen Spannungen!

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Nennspannungskonzept

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Warum werden Turbinenläufer mittels Rotationsreibschweißen und nicht mit anderen Verfahren gefertigt?

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Statische Festigkeit

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Wozu wird die Festigkeitslehre verwendet?

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Erklären Sie den Unterschied zwischen den beiden Werkstoffeigenschaften die auftreten können!

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Ein einseitig eingespannter Biegebalken mit einem quadratischen Querschnitt wird am freien Ende mittig durch die Kraft F belastet und elastisch verformt. Beschreiben Sie textuell, wie sich qualitativ der Spannungsverlauf über den Bautelquerschnitt in Belastungsrichtung einstellt! Beziehen Sie sich dabei auch auf den Flächenschwerpunkt des Querschnitts!

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Nennen Sie die zentralen Versagensannahmen für die Normalspannungshypothese! Ergänzen Sie zudem, bei welchen Werkstoffeigenschaften zum Einsatz kommt und Welcher Anwendungsbereich abgedeckt ist!

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Nennen Sie die zentralen Versagensannahmen für die Gestaltänderungsenergiehypothese! Ergänzen Sie zudem, bei welchen Werkstoffeigenschaften zum Einsatz kommt und Welcher Anwendungsbereich abgedeckt ist!

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Beschreiben Sie den Prozessablauf beim Rotationsreibschweißen

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Warum wirken sich abrupte Querschnittsänderungen kritisch auf die Belastbarkeit von Bauteilen aus? Gehen Sie bei Ihrer Begründung auch auf die aus einer Belastung resultierenden Bauteilspannungen ein!

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Maschinenelemente ME

Konzept der örtlichen Spannungen
• Berechnung der tatsächlich im Bauteil auftretenden Spannungen
• Direkte Berücksichtigung aller Faktoren
• Realisierung durch Finite-Elemente-Methode (FEM)
• Anwendungsbereiche:
1. Hochbelastete Bauteile
2. Bauteile mit komplexer Geometrie

Maschinenelemente ME

Unterscheiden Sie beim Festigkeitsnachweis das Nennspannungskonzept und das Konzept der örtlichen Spannungen!
Nennspannungskonzept:
• Berechnung der theoretischen Nennspannung
• Nachträgliche Berücksichtigung von Bauteilgröße, Kerbform, Stütz-/Kerbwirkung durch Korrekturfaktoren
• Anwendungsbereich: 1. Bevorzugt im Maschinenbau (Einfache Handhabung)
2. Gut geeignet für Bauteile mit einfacher Geometrie

Konzept der örtlichen Spannungen:
• Berechnung der tatsächlich im Bauteil auftretenden Spannungen
• Direkte Berücksichtigung aller Faktoren
• Realisierung durch Finite-Elemente-Methode (FEM)
• Anwendungsbereiche: 1. Hochbelastete Bauteile
2. Bauteile mit komplexer Geometrie

Maschinenelemente ME

Nennspannungskonzept
• Berechnung der theoretischen Nennspannung
• Nachträgliche Berücksichtigung von Bauteilgröße, Kerbform, Stütz-/Kerbwirkung durch Korrekturfaktoren
• Anwendungsbereich:
1. Bevorzugt im Maschinenbau (Einfache Handhabung)
2. Gut geeignet für Bauteile mit einfacher Geometrie

Maschinenelemente ME

Warum werden Turbinenläufer mittels Rotationsreibschweißen und nicht mit anderen Verfahren gefertigt?
• Rotationsreibschweißen: 1. Mischverbindung möglich
2. Stoffschluss bevorzugen
3. Hohe Maßgenauigkeit
4. Kein Verzug
5. Keine schweißmetallurgischen Probleme
6. Kaum Wärmeeintrag

Nicht möglich, weil….
• Schmelzschweißen: Artfremde Mischverbindung
• Löten: Sehr Aufwendig & Technisch nicht sinnvoll

Maschinenelemente ME

Statische Festigkeit
•Anwendung:
1. Kurzzeitbelastung
2. Ruhende Belastung

•Zugrunde liegende Festigkeiten (Temperatur > 100°C):
1. Zugfestigkeit Rm gegen Bruch
2. Dehngrenze Rp0,2 gegen Verformung

Maschinenelemente ME

Wozu wird die Festigkeitslehre verwendet?
Dimensionierung von Bauteilen (Bezug zu auftretenden Lasten)

Bauteilversagen ausschließen (Bruch & Verformung)

Überdimensionierung verhindern (Wirtschaftliche Lösung)

Maschinenelemente ME

Erklären Sie den Unterschied zwischen den beiden Werkstoffeigenschaften die auftreten können!
• Duktilität (Metall): plastisch verformbar
• Sprödigkeit (Kreide): plastisch nicht verformbar

Maschinenelemente ME

Ein einseitig eingespannter Biegebalken mit einem quadratischen Querschnitt wird am freien Ende mittig durch die Kraft F belastet und elastisch verformt. Beschreiben Sie textuell, wie sich qualitativ der Spannungsverlauf über den Bautelquerschnitt in Belastungsrichtung einstellt! Beziehen Sie sich dabei auch auf den Flächenschwerpunkt des Querschnitts!
a) Eine Biegebeanspruchung hat einen linearen Spannungsverlauf mit Zugspannung auf der einen und Druckspannung an der
anderen Seite zur Folge
b) Im Bauteilschwerpunkt herrschen dabei keine Spannungen, er liegt in der spannungsfreien, sogenannten neutralen Faser

Maschinenelemente ME

Nennen Sie die zentralen Versagensannahmen für die Normalspannungshypothese! Ergänzen Sie zudem, bei welchen Werkstoffeigenschaften zum Einsatz kommt und Welcher Anwendungsbereich abgedeckt ist!
Normalspannungshypothese (NH):
Annahme: Bauteilversagen dort, wo größte Normalspannung auftritt
Keine/Wenig plastische Verformung beim Versagen

Anwendungsbereich:
1. Spröde / Stark verspannte Werkstoffe
2. Tiefe Temperaturen
3. Kurze, schlagartige Belastungen

Maschinenelemente ME

Nennen Sie die zentralen Versagensannahmen für die Gestaltänderungsenergiehypothese! Ergänzen Sie zudem, bei welchen Werkstoffeigenschaften zum Einsatz kommt und Welcher Anwendungsbereich abgedeckt ist!
Gestaltänderungshypothese (GEH):
• Annahme: Bauteilversagen dort, wo die größte Schubspannung auftritt
• Plastische Verformung bis zum Versagen (Gleiten in Gitterebene)
• Anwendungsbereiche: 1. Duktile Werkstoffe
2. Schwingungsbeanspruchungen
• Notwendig: Vergleichsspannung nach von Mises

Maschinenelemente ME

Beschreiben Sie den Prozessablauf beim Rotationsreibschweißen
1. Prozessenergie aus Schwungrad:
Rechts: Rotierend & axial freistehend
• Links: Nicht rotierend & axial verschiebbar
• Schwungrad durch Motor auf Drehzahl
• Rechter Fügepartner mit Welle verbunden (Antrieb)
• Vorschub Linker Fügepartner durch Hydrauliköl im
Hydraulikzylinder
• Wärmeenergie: 600°C-800°C

2. Schweißen unter Stauchkraft:
Gewünschte Drehzahl: Abschalten Rotationsantrieb
• Linke Fügepartner mit definierter Kraft auf rechten gepresst
• Reibungswärme aufgrund Relativbewegung & Anpresskraft
• Plastische Verformung durch Stauchdruck & Temperatur

3.Prozessende bei Schwungradstillstand:
Stoffschluss durch Diffusion und Metallbindung
Schweißwulst verbleibt (Nacharbeit)

Maschinenelemente ME

Warum wirken sich abrupte Querschnittsänderungen kritisch auf die Belastbarkeit von Bauteilen aus? Gehen Sie bei Ihrer Begründung auch auf die aus einer Belastung resultierenden Bauteilspannungen ein!
a) Querschnittsänderungen in Bauteilen wirken als Kerben

b) Bei Belastung treten hier Spannungsspitzen auf, welche bei der Festigkeitsrechnung berücksichtigt werden müssen

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